基于LS-DYNA風(fēng)電安裝起重機(jī)溜樁工況安全高度計(jì)算

陳祖強(qiáng)　陸忠華

上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司

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基于LS-DYNA風(fēng)電安裝起重機(jī)溜樁工況安全高度計(jì)算

陳祖強(qiáng)陸忠華

上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司

針對(duì)風(fēng)電起重機(jī)打樁過程中可能出現(xiàn)的溜樁現(xiàn)象，基于ANSYS/LS-DYNA顯性動(dòng)力學(xué)分析，合理簡(jiǎn)化起重機(jī)打樁時(shí)掛鉤段鋼絲繩與樁錘模型，獲得鋼絲繩拉力與樁錘位移的實(shí)時(shí)變化數(shù)據(jù)，并同能量守恒法計(jì)算結(jié)果對(duì)比，得到掛鉤段鋼絲繩合理松繩量，為風(fēng)電起重機(jī)打樁作業(yè)提供可靠的施工數(shù)據(jù)和安全保證。

風(fēng)電； 溜樁； 起重機(jī)； ANSYS/LS-DYNA

1　前言

風(fēng)能作為一種清潔可再生能源，越來越受到世界各國(guó)的重視，特別是風(fēng)力發(fā)電行業(yè)，國(guó)內(nèi)這幾年正蓬勃發(fā)展，配套的風(fēng)電起重設(shè)備及相關(guān)新技術(shù)不斷涌現(xiàn)。如何提高風(fēng)電起重機(jī)打樁效率， 確保作業(yè)安

面加工精度。加工中保證軸承結(jié)合面、刀架上平面以及上法蘭面三者平面平行極為重要，軸承面為基準(zhǔn)，其他兩個(gè)平面保證與基準(zhǔn)面平行。車削后須保證平面度和光潔度在0.2 mm以內(nèi)。

3.6拆除保險(xiǎn)下放過程

機(jī)加工后切割軸承框架，以及防風(fēng)保險(xiǎn)等。倒檔位置切割槽鋼后必須用角磨機(jī)打磨光滑后方可將倒檔支座放上。門機(jī)下放過程為頂升過程的反向操作，操作過程必須聽同一指揮人員統(tǒng)一指揮，每次下放在50 mm以內(nèi)進(jìn)行1次測(cè)量調(diào)整，保證4點(diǎn)誤差在5 mm范圍內(nèi)，通過一次倒檔后可將門機(jī)放下。在完全放到位置前將各處螺栓穿孔到位，調(diào)整軸承位置使螺栓不受剪切力。

3.7緊螺栓過程

在軸承完全放到位后用手將螺柱上下螺母帶好，保證上下至少有3扣外露，螺母下面加高強(qiáng)平墊，嚴(yán)禁使用彈簧墊。軸承調(diào)整定位后，用力矩扳手分低、中、高3次預(yù)緊，并按交叉180°方向?qū)ΨQ擰緊，步驟順序按說明手冊(cè)。最后使安裝螺栓預(yù)緊力達(dá)到螺栓屈服強(qiáng)度的70%，即10.9級(jí)螺栓預(yù)緊力為665 kN。

3.8試車檢測(cè)

安裝好軸承及中心滑環(huán)電氣和集中潤(rùn)滑、接油盤、小齒輪等附件后，對(duì)大軸承進(jìn)行加油試車測(cè)試。用1檔回轉(zhuǎn)試車，檢查齒面嚙合情況，聽回轉(zhuǎn)時(shí)是否有異響，測(cè)量齒節(jié)圓徑向跳動(dòng)間隙是否小于0.7 mm，軸承與法蘭面結(jié)合處間隙是否小于0.2 mm。再進(jìn)行2檔和4檔測(cè)試，確認(rèn)左右和最大最小變幅回轉(zhuǎn)均無異常，試車運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)無噪聲后，可恢復(fù)正常使用。

趙雍：061113，河北省滄州市渤海新區(qū)

全，一直成為風(fēng)電起重設(shè)備行業(yè)的熱門話題[1]。本文針對(duì)風(fēng)電起重機(jī)打樁過程中可能出現(xiàn)的溜樁現(xiàn)象，基于ANSYS/LS-DYNA進(jìn)行顯性動(dòng)力學(xué)分析，得到掛鉤鋼絲繩拉力與樁錘位移的實(shí)時(shí)變化數(shù)據(jù)，并同能量守恒法計(jì)算結(jié)果對(duì)比，為風(fēng)電起重機(jī)打樁作業(yè)提供可靠的施工數(shù)據(jù)和安全保證。

2　溜樁分析及其危害

我國(guó)東南沿海地區(qū)地質(zhì)復(fù)雜，地基軟硬變化沒有規(guī)律。起重機(jī)帶樁施工過程中，偶爾會(huì)出現(xiàn)溜樁現(xiàn)象。一般情況，溜樁有2種情況：一是樁基在起吊或在穩(wěn)樁過程中產(chǎn)生下降，這種情況完全可以依靠地面技術(shù)人員認(rèn)真監(jiān)測(cè)予以克服；另一種是在沉樁時(shí)，貫入度突然變大，樁基加速下降，若對(duì)溜樁預(yù)計(jì)不足，不僅對(duì)樁身本體會(huì)造成裂縫、斷樁等危險(xiǎn)，而且對(duì)起重機(jī)也會(huì)造成傷害，嚴(yán)重時(shí)機(jī)毀人亡。

以第2種情況為例，溜樁對(duì)起重機(jī)的危害主要表現(xiàn)為：打樁初始，起升鋼絲繩松弛(見圖1)，打樁錘重量全部由鋼樁承擔(dān)；打樁錘啟動(dòng)后(或運(yùn)行一段時(shí)間)，地基一下被擊穿，樁基加速下降，出現(xiàn)溜樁，在無有效保護(hù)措施情況下，打樁錘立即懸空，以近似自由落體的方式向下運(yùn)動(dòng)直至鋼絲繩繃緊(見圖2)，此時(shí)會(huì)對(duì)起重機(jī)造成巨大沖擊，使吊鉤、滑輪、鋼絲繩及鋼結(jié)構(gòu)等起重機(jī)部件受到不同程度的損壞。起升繩松弛量越大，打樁錘自由落體產(chǎn)生的沖擊力就越大，如果鋼絲繩等承受的載荷超出相關(guān)安全設(shè)計(jì)載荷，勢(shì)必對(duì)起重機(jī)造成極大破壞。在設(shè)計(jì)起重機(jī)時(shí)，也是不允許鉤頭及重物產(chǎn)生高速重載類沖擊載荷的。因此，分析第2種溜樁過程及其所產(chǎn)生的沖擊影響，可為打樁作業(yè)時(shí)提供可靠依據(jù)和安全保障[2]。

圖1　打樁初始起升鋼絲繩松弛

圖2　打樁錘懸空鋼絲繩繃緊

3　溜樁安全高度計(jì)算

3.1安全高度計(jì)算思路

以某項(xiàng)目打樁起重機(jī)為例，為簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型，將鉤頭及以上部分，連同起重機(jī)一起視為整體，通過ANSYS建立有限元模型，計(jì)算打樁工況下的起重機(jī)部分結(jié)構(gòu)剛度。ANSYS/LS-DYNA中只需要考慮樁錘及其與鉤頭之間的掛鉤段鋼絲繩，其中該掛鉤鋼絲繩的剛度采用起重機(jī)整機(jī)剛度。經(jīng)過重復(fù)多次驗(yàn)算，初定鋼絲繩松弛高度，也就是樁錘自由落體高度為340 mm，到掛鉤鋼絲繩開始受力時(shí)，樁錘自身會(huì)產(chǎn)生一個(gè)初速度，與重力加速度一起作為動(dòng)態(tài)計(jì)算中質(zhì)量單元樁錘的初始載荷。經(jīng)過仿真分析，可以得到掛鉤鋼絲繩拉力與樁錘位移之間的關(guān)系，同時(shí)，將該段鋼絲繩最大拉力與設(shè)計(jì)安全載荷進(jìn)行比較，驗(yàn)證初定鋼絲繩松弛高度的合理性。

3.2起重機(jī)整體剛度計(jì)算

整機(jī)剛度計(jì)算所需的基本數(shù)據(jù)如下：

吊鉤總成和打樁錘

(以S800液壓沖擊錘為例)

總質(zhì)量281.4 t

起重機(jī)結(jié)構(gòu)剛度

K1=1.689e7N/m

鋼絲繩的彈性模量

E=1.3e11N/m2

鋼絲繩線密度

ρ=11.75 kg/m

繞繩倍率

m=20

鋼絲繩懸掛長(zhǎng)度

L=68 m

鋼絲繩設(shè)計(jì)安全載荷

Fs=8.447e6N

彈性模量E，線密度ρ，繞繩倍率m及鋼絲繩懸掛長(zhǎng)度L代入(1)式得：

(1)

K1和K2代入(2)式，得到起重機(jī)整機(jī)剛度：

(2)

3.3仿真計(jì)算

3.3.1邊界條件

設(shè)定掛鉤段鋼絲繩原長(zhǎng)1 m，樁錘自由落體高度H=0.34 m，到掛鉤段鋼絲繩開始受力時(shí)樁錘自身會(huì)產(chǎn)生一個(gè)初速度，與重力加速度一起作為動(dòng)態(tài)計(jì)算中的載荷。

3.3.2計(jì)算結(jié)果

由LS-DYNA仿真計(jì)算可知，當(dāng)t=0.315 s時(shí)，樁錘Y向位移變化值達(dá)到最大，為646.5 mm，對(duì)應(yīng)掛鉤鋼絲繩拉力達(dá)到最大值8.41e6N(見圖3～5)。

圖3　t=0.315 s時(shí)樁錘Y向位移及掛鉤段鋼絲繩拉力云圖

圖4　t=0～1 s掛鉤鋼絲繩拉力時(shí)程圖

圖5　t=0～1 s樁錘Y向位移時(shí)程圖

3.4理論驗(yàn)證

將掛鉤段鋼絲繩視為彈簧，根據(jù)能量守恒原理，可知彈簧伸長(zhǎng)量為ΔL時(shí)彈簧儲(chǔ)存的能量為1/2×K×(ΔL)2，相應(yīng)的勢(shì)能減少量為m×g×(H+ΔL)，即為：

(3)

式中，ΔL和H為未知量，式(3)方程無法直接求解，在實(shí)際計(jì)算時(shí)可先確定一個(gè)H值，此時(shí)上式轉(zhuǎn)變成一個(gè)一元二次方程，解此方程可得到ΔL，再跟據(jù)彈簧拉力計(jì)算公式：

(4)

求出自由落體H時(shí)鋼絲繩的受力。根據(jù)3.3.1設(shè)定，取H=0.34 m，根據(jù)式(3)得到：ΔL=0.647 m；由(4)式得：F=K×ΔL=8.422e6N。

ΔL=0.647 m 和F=8.422e6N與3.3.2節(jié)LS-DYNA仿真計(jì)算結(jié)果近似一致，由此可見仿真計(jì)算結(jié)果是合理可信的；同時(shí)，兩者計(jì)算所得的掛鉤段鋼絲繩最大拉力均接近并小于鋼絲繩設(shè)計(jì)安全載荷Fs(見3.2)，因此，自由落體安全高度的最大值為0.34 m。

4　結(jié)語

為了保證打樁作業(yè)的起重設(shè)備安全，作業(yè)開始時(shí)盡量對(duì)打樁地質(zhì)進(jìn)行詳細(xì)勘察，避免因地基問題或操作失誤而導(dǎo)致溜樁事故，同時(shí)，鉤頭與樁錘間的掛鉤段鋼絲繩松繩距離需保證在安全范圍之內(nèi)。

本文借助ANSYS/LS-DYNA顯性動(dòng)力學(xué)分析平臺(tái)，合理簡(jiǎn)化起重機(jī)打樁時(shí)掛鉤段鋼絲繩與樁錘模型，得到鋼絲繩拉力與樁錘位移的實(shí)時(shí)變化數(shù)據(jù)，并同能量守恒法理論計(jì)算結(jié)果對(duì)比，最終得到掛鉤段鋼絲繩合理安全的松繩量，應(yīng)用于某項(xiàng)目風(fēng)電起重機(jī)實(shí)際打樁作業(yè)中，取得良好的預(yù)期效果，為起重機(jī)用戶贏得安全保證和進(jìn)度保障。

[1]劉志杰，劉曉宇，孫德平，等. 海上風(fēng)電安裝技術(shù)及裝備發(fā)展現(xiàn)狀分析[J].船舶工程，2015：1-4.

[2]郭生昌,吳少霖. 沉樁施工溜樁問題分析及解決措施[J]. 水運(yùn)工程，2011：163-166.

陳祖強(qiáng)：200125，上海市東方路3261號(hào)

收稿日期：2016-05-24

DOI：10.3963/j.issn.1000-8969.2016.05.013

Calculation of Safe-height-range for Wind Power Installation Crane in Pile Running Working Condition Using LS-DYNA Module

Chen ZuqiangLu Zonghua

Shanghai Zhenhua Heavy Industries Co.,Ltd.

In view of pile running phenomenon that happened in the wind power crane′s piling process, this paper establishes a reasonable simplified model of hook rope and pile hammer using the ANSYS/LS-DYNA explicit dynamic analysis module. From the dynamic simulation, it is able to obtain real-time data of the axial force of the rope and displacement of pile hammer. Then the model is compared with the result that obtained from the energy conservation method. From the comparison, it is observed that a reasonable rope slack range is obtained with dynamic simulation, which provides reliable engineering date and security assurance for wind power crane′s piling.

wind power; pile running; crane; ANSYS/LS-DYNA

2016-01-23

10.3963/j.issn.1000-8969.2016.05.012